Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ KIZILÖTESİ DEDEKTÖR TEKNOLOJİLERİNİN İNCELENMESİ VE KRİTİK PARAMETRELERİN DEDEKTÖR VERİMLİLİĞİ AÇISINDAN ANALİZİ Aylin ÖZTÜRK FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2011

2 ÖZET Yüksek Lisans Tezi KIZILÖTESİ DEDEKTÖR TEKNOLOJİLERİNİN İNCELENMESİ VE KRİTİK PARAMETRELERİN DEDEKTÖR VERİMLİLİĞİ AÇISINDAN ANALİZİ Aylin ÖZTÜRK Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ömer YAVAŞ Mutlak sıfır ın üzerindeki her cisim sıcaklığına bağlı olarak bir ışıma (radyasyon) yayar. 300 Kelvinde yayılan radyasyonun dalgaboyu pik değeri 10 µm dir. Kızılötesi radyasyon insan gözü tarafından algılanamaz. Kızılötesi radyasyon geçirgenliği dalga boyuna bağlı olan atmosfer tarafından emilir. Dolayısıyla, kızılötesi görüntüleme yapabilmek için atmosferin geçirgen olduğu bir dalga boyu aralığında algılama yapmak gerekir. Kızılötesi dedektörler cisimlerden yayılan kızılötesi radyasyonu algılayan sensörlerdir. Bu çalışmada, çeşitli tip kızılötesi dedektörler konusunda temel bilgiler verilmiş, 8-12 µm bandında algılama yapabilen kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektör (QWIP) icin algılayıcı malzemenin moleküler ışın epitaksisi (MBE) ile büyütülmesi ile fabrikasyon koşulları incelenmiştir. Odak düzlemli matris (FPA) seviyesinde performans ölçümleri (algılama hassasiyeti, sıcaklık farkı ayırt edebilme parametresi, tepe duyarlılık dalga boyu, vb) gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar dünyada bu konuda yayımlanan literatür bilgileri ile karşılaştırılmıştır. Nisan 2011, 128 sayfa Anahtar Kelimeler: Soğutmalı kızılötesi dedektörler, soğutmasız kızılötesi dedektörler, QWIP, dedektivite, okuma devresi, fotoakım, karanlık akım. i

3 ABSTRACT Master Thesis EXAMINATION OF INFRARED SENSOR TECHNOLOGIES AND ANALYSIS OF CRITICAL PARAMETERS FOR DETECTOR EFFICIENCY Aylin ÖZTÜRK Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics Engineering Supervisor: Prof.Dr. Ömer YAVAŞ Every object with a temperature above 0 K emits radiation depending on its temperature. The peak wavelength of the emitted radiation of objects at 300 K is 10 µm. Infrared radiation can not be sensed by human eye. Infrared radiation absorbed by the atmosphere at different levels depending on its wavelength. Hence, it s necessary to sense infrared radiation in the range of wavelength which is permeable by the atmosphere. Infrared detectors are the sensors which response to the infrared radiation emitted by the objects. In this study, different types of infrared detectors are explained and Molecular Beam Epitaxial (MBE) growth technique and fabrication are studied for QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) which is able to sense radiation in the range of 8-12 µm. Performance measurement experiments (detectivity, Noise Equivalent Temperature Difference (NETD), responsivity, etc.) were performed at Focal Plane Array (FPA) level and the results compared with the literature. April 2011, 128 pages Key Words : Cooled infrared detectors, uncooled infrared detectors, QWIP, dedectivity, readout integrated circuit, photocurrent, dark current. ii

4 TEŞEKKÜR Tez çalışmamın her aşamasında yakın ilgi ve desteğini gördüğüm, konumun seçimi ve hazırlanması ile araştırmalarımın her aşamasında bilgi, tecrübe ve önerilerini benden esirgemeyen değerli hocam tez danışmanım sayın Prof. Dr. Ömer YAVAŞ a (Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı) katkı ve yardımlarından dolayı sonsuz teşekkür ederim. Engin tecrübesi, sabrı, hoşgörüsü ile bana ilham veren değerli eski bölüm başkanımız sayın Prof. Dr. Ali Ulvi YILMAZER e (Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı) teşekkürü bir borç bilirim. Bana laboratuarının kapılarını açarak dedektör fabrikasyonu ve testleri konusunda tez çalışmamın deneysel sonuçlara ulaşmasını sağlayan ve çalışmama yön veren sayın Prof. Dr. Cengiz BEŞİKÇİ ye (ODTÜ Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı) ve soğutmasız dedektör yapıları konusunda elde ettiği sonuçlardan istifade ettiğim sayın Prof. Dr. Tayfun AKIN a (ODTÜ Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı) katkılarından dolayı teşekkür ederim. Yoğun çalışma temposu arasında bana zaman ayırıp tez çalışmamda her türlü desteğini benden esirgemeyen, kızılötesi dedektörler konusunda derin bilgilere sahip olan, bu bilgi ve tecrübelerini benimle paylaşan, tezimde geçen testleri yapabilmem için imkanlar yaratan çok değerli Dr. Selçuk ÖZER e (ASELSAN AŞ) yorum ve katkılarından dolayı teşekkür ederim. Bilgi birikimlerini benimle paylaşarak tezimin deneysel kısmının oluşturulmasında desteklerini esirgemeyen ASELSAN AŞ çalışanlarından olan Tolga YELBOĞA, Erkin ÜLKER, Neslihan ÇİÇEK, Ayşe Begüm ARIĞ ve Esin UÇAR a değerli katkılarından dolayı teşekkür ederim. Çalışmalarımı destekleyen, eğitime önem veren değerli daire başkanım sayın Alb. Mahmut BAYRAK a (MSB ARGE ve Teknj.D.Bşk.lığı), yüksek lisansa başlamam için teşvik edip nasihatları ile manevi desteğini esirgemeyen değerli şube müdürüm sayın Alb. M. Fatih TAN a (MSB ARGE ve Teknj.D.Bşk.lığı), kızılötesi dedektörler ve uygulamaları konusunda yürüttüğü çalışmalar sayesinde edindiği bilgi ve tecrübeyi benden esirgemeyen çok değerli çalışma arkadaşlarım Alp ALPER, Erol AKIN ve Orkun AĞIROĞLU na (MSB ARGE ve Teknj.D.Bşk.lığı) teşekkür ederim. Aylin ÖZTÜRK Ankara, Nisan 2011 iii

5 İÇİNDEKİLER ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ... viii ŞEKİLLER DİZİNİ... xiv ÇİZELGELER DİZİNİ... xviii 1. GİRİŞ Kızılötesi Işımanın Cisimlerden Yayılması Kara Cisim Işıması Atmosferik İletim Koşulları Kızılötesi Görüntüleme Sistemlerinin Temel Alt Birimleri KURAMSAL TEMELLER Kızılötesi Dedektörlerin Performasına Etki Eden Temel Parametreler Kuantum verimliliği Tepkisellik (Responsivity) Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) Dedektivite Gürültü Eşlenikli Sıcaklık Farkı (NETD) Çalışma hızı Çalışma sıcaklığı Pikseller arası etkileşim (Crosstalk) Kızılötesi Dedektör Tiplerinin İncelenmesi Soğutmasız kızılötesi dedektörler Termopil tabanlı termal dedektör yapıları iv

6 Mikrobolometre tabanlı termal dedektör yapıları Soğutmalı kızılötesi dedektörler Fotoiletken dedektörler Fotovoltaik dedektörler InSb, HgCdTe, Süperörgü (Superlattice), QWIP ve QDIP dedektör teknolojileri InSb teknolojisi HgCdTe teknolojisi Süperörgü (Superlattice) teknolojisi (SLS) QWIP teknolojisi QWIP karanlık akımı QWIP fotoakımı QWIP lerin algılama spektrumu QWIP lerin tepkiselliği QWIP lerde gürültü seviyesi Kuantum kuyusu sayısının QWIP performansına etkisi QWIP in dedektivitesi QDIP teknolojisi MATERYAL VE YÖNTEM Sensör Üretim Aşamaları Taban oluşturma Algılayıcı malzeme tasarımı Epi-katman yapılarının oluşturulması Sensör işleme Litografi Fotorezist serme işlemi (Kaplama) v

7 Fotorezist şekillendirme (Fırınlama) Fotorezist şekillendirme (Maskeleme) Fotorezist şekillendirme (Banyolama, Develop) Aşındırma Kuru aşındırma Metal, di-elektrik kaplama Elektro kaplama Hibrit tümleştirme Alt dolgu yerleştirme Taban inceltme Tümdevre tasarım ve üretim süreci Fabrikasyon Opto-mekanik taşıyıcı Soğutucu Sensör işleme süreci özeti ARAŞTIRMA BULGULARI Sensör Fabrikasyon İşlemleri Kuru aşındırma (Grating Etch) işlemi Mesa aşındırma işlemi Omik kontak kaplaması işlemi Tavlama Reflector Top Altı Metal (UBM) İndium toplar Kesme (Dice) Tümleştirme vi

8 Alt dolgu Taban inceltme ve parlatma Krakterizasyon İşlemleri Doğrulama testleri Karanlık akım Fotoakım Spektral tepkisellik Dedektivite NETD ve ölü piksel sayısı SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ vii

9 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler λ Dalga Boyu c Işık Hızı h Planck Sabiti k Boltzmann Sabiti η Kuantum Verimliliği A Foto Diyot Alanı Ф Foton Akı Yoğunluğu J Akım Yoğunluğu T B N n N B N w u M q (λ,t) f W(λ) D* Dedektivite p c J 3D q Arka Plan Sıcaklığı Gürültü Eşdeğeri Elektron Sayısı Piksel Başına Gelen Radyasyon Sonucu Uyarılan Toplam Elektron Sayısı Kuantum Kuyu Sayısı Kalibrasyon Sonrası Kalan Artık Homojensizliği Karacisme ait ışıyan foton yayılımının spektral dağılımı Ölçüm bandı genişliği Kara Cisim Spektral Yoğunluğu Yakalama Olasılığı Üç Boyutlu Karanlık Akım Yoğunluğu Elektron Yükü n* 3-D Elektronların Yoğunluğu m* Etkin Kütle L p f(e) E 0 T(E,V) E f Süper Örgü Periyodu Fermi Faktörü Yer Durum Seviyesi Tünelleme Akım İletim Faktörü İki Boyutlu Fermi Enerji Seviyesi viii

10 µ Mobilite F Ortalama Elektrik Alan v s E b E c T(E) F foton N W η 1 p e p c Ω τ L l λ p E m υ ν g R p N D λ g n I d Ф B g p C T BLIP Doymuş Elektron Hızı Bariyer Enerjisi Spektral Kesim Enerjisi Tünelleme Faktörü Birim Zamanda Gelen Foton Miktarı Toplam Kuantum Kuyusu Sayısı Tek Bir Kuantum Kuyusunun Sahip Olduğu Kuantum Verimliliği Emisyon olasılığı Yakalama olasılığı Hedefin kapsadığı katı açı Uyarılmış elektron yaşam süresi Çoklu Kuantum Kuyusu Yapısının uzunluğu Tepe algılama dalga boyu Uyarılmış enerji seviyesi Foton frekansı Elektron Sürüklenme Hızı Foto iletim kazancı Tepe tepkiselliği Katkılama yoğunluğu Algılama dalga boyu aralığı Gürültü kazancı Karanlık akım Arka plan foton sayısı Foto iletken kazancı Okuma devresi kapasitansı Arka planında sınırlandırılmış performans sıcaklığı n* Kuantumu kuyuları üzerindeki uyarılmış elektron sayısı η a I B Soğurma kuantum verimliliği Arka plan ışıma şiddeti ix

11 ρ Σ f/# Normalize edilmiş katkılama yoğunluğunu Standart sapma F-numarası (Dedektör optik açıklığı) Kısaltmalar AlGaAs AlAs ASIC BLIP CMOS DC FPA GaAs GaP InP InGaAs InAlAs LWIR MCT MBE MIS MOCVD MWIR NEP NETD NIR Alüminyum Galyum Arsenik Alüminyum Arsenik Application Specific Integrated Circuit (Uygulamaya Özel Entegre Devre) Background Limited Infrared Performance (Arka Planında Sınırlandırılmış Performans) Complementary Metal Oxide Semiconductor Direct Current (Doğru akım) Odak Düzlem Dizini Galyum Arsenik Galyum Fosfat İndium Fosfat İndium Galyum Arsenik İndium Alüminyum Arsenik Long Wave InfraRed (Uzun Dalgaboyu Kızılötesi) Mercury Cadmium Telluride Fotodedektör Molecular Beam Epitaxy (Moleküler Işın Epitaksisi) Metal- Yalıtkan- Yarıiletken Metal Organic Chemical Vapor Deposition (Metal-Organik Kimyasal Buhar Kaplama) Mid Wave InfraRed (Orta Dalgaboyu Kızılötesi) Noise Equivalent Power (Gürültü Eşdeğer Gücü) Noise Equivalent Temperature Difference (Gürültü Eşlenikli Sıcaklık Farkı) Near InfraRed (Yakın Kızılötesi) x

12 QWIP ROIC RF RHEED RGA SWIR Si 3 N 4 SEL Si SNR THM UBM VLWIR Kuantum Kuyulu Kızılötesi Fotodedektör Read-Out Integrated Circuit (Okuma Entegre Devresi) Radio Frequency (Radyo frekansı) Reflective High Energy Electron Diffraction (Yansımalı Yüksek Enerjili Girişim) Residual Gas Analyser (Gaz Kalıntı Analiz) Short Wave InfraRed (Kısa Dalgaboyu Kızılötesi) Silikon Nitrat Serbest Elektron Lazeri Silikon Signal to Noise Ratio (Sinyal/Gürültü Oranı) Türk Hızlandırıcı Merkezi Under Bump Metal (Top Altı Metal) Very Long Wave InfraRed (Çok Uzun Dalgaboyu Kızılötesi) Açıklamalar Arka planla sınırlandırılmış performans Bir kızılötesi sensörün gürültüsünün büyük çoğunluğunun arka plandan gelen fotonlar nedeniyle oluştuğu durumda kızılötesi sensörün sergilediği performans. Defekt Yarıiletken bir malzemenin yapısında yer alan, malzemenin elektriksel ve mekanik özelliklerini olumsuz yönde etkileyen her türlü kusur. Dedektivite Bir sensörün üzerine düşen bir Watt gücündeki radyasyona karşı verdiği bir Hertz frekans bant aralığında sinyal-gürültü oranı. Gürültü Eşlenikli Sıcaklık Farkı (NETD) Bir odak düzlem dizininin sahip olduğu gürültülerin toplamına eşit miktarda sinyal oluşturabilen sahnedeki sıcaklık farkı. xi

13 g-r Gürültüsü Yarıiletken aygıtlarda elektron-boşluk çiftlerinin zamana bağlı olarak rast gele oluşması sonucu aygıttan geçen akımda gözlemlenen beyaz renk spektral karakteristiğe sahip gürültü çeşidi. Homojensizlik FPA üzerindeki dedektörlerin zaman-ortalamalı çıkışlarındaki değişkenlik. Kızılötesi Sensör Dizini Kızılötesi sensör elemanlarının düzenli bir şekilde tek veya iki boyutlu olarak bir düzlem üzerine dizilmesi ile oluşan yapı. Kuantum Verimliliği Bir kızılötesi sensörün üzerine düşen foton miktarına bağlı olarak uyarılan elektron sayısının gelen foton sayısına oranı. Mobilite Yarıiletkenlerde yük taşıyıcı parçacıkların (elektron veya boşluk) elektrik alan altında hareket edebilme kabiliyeti. Opto-mekanik Taşıyıcı Soğutmalı odak düzlem dizinlerinin monte edildiği, vakumlanabilen, vakum sızdırmazlık özelliğine ve gelen kızılötesi radyasyonun geçişine izin veren bir pencereye sahip, dışarıya okuma devresi için gerekli elektriksel bağlantıları sağlayan mekanik yapı. Okuma devresi anahtar gürültüsü (ktc noise) Okuma devresinde her entegrasyon sırasında okuma devresi biriktirme kapasitansı üzerinde oluşan gürültü çeşidi. Optik ızgara yapısı Kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektörlerin kuantum verimliliğini arttırmak üzere piksel tepelerinden ışığın girişime uğrayarak farklı açılarda yansıtan yapı. xii

14 Sinyal Gürültü Oranı (SNR) Bir kızılötesi sensörde gelen radyasyonun oluşturduğu sinyalin sensörde oluşan toplam gürültüye oranı. Stirling Tipi Soğutucu Genleşme ve sıkıştırma hazneleri bulunan, kapalı çevrim içerisinde sıkıştırdığı helyum gazını genleşme haznesinde genleşmesini sağlayarak bu bölümün termodinamik yasalar çerçevesinde soğutulmasını sağlayan krayojenik sıcaklıklara (-200ºC) ulaşabilen, kızılötesi sensörlerin soğutulmasında kullanılan bir tür soğutucu. Sürey Bir kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektörde iletim bandında kuantum kuyularının üzerinde lokalize olmamış elektronları elektrik alan altında serbestçe hareket edebileceği enerji durumlarının tümü. Tepkisellik Bir sensörün üzerine düşen bir Watt gücündeki radyasyona cevap olarak verdiği üzerinden geçen akım veya üzerinde oluşan gerilim. Yayılım (emissivity) Bir cismin termal yollarla radyasyon yayabilme ölçüsü. Yakalama (Capture) Kuantum kuyusuna sahip bir sensörde elektronların düşük enerji seviyesine sahip kuantum kuyuları tarafından tutularak hapsedilmesi. 1/f Gürültüsü Bazı sensörlerde yaygın bir şekilde görülen ve güç spektral yoğunluğu düşük frekanslarda daha fazla olan gürültü çeşidi. xiii

15 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.2 Kızılötesi dedektörlerin tarihsel gelişimi... 3 Şekil 1.3 Çeşitli sıcaklıktaki kara cisimlere ait dalga boyuna göre spektral ışıyan foton yayılımı... 5 Şekil 1.4 Atmosferik iletim spektrumu ve soğurulma çizgilerinden veya bantlarından sorumlu moleküller... 6 Şekil 1.5 Bir termal görüntüleme sisteminde yer alan alt bloklar Şekil 2.1 İki farklı homojensizlik değeri için NETD nin dedektivite ile değişimini gösteren grafik Şekil 2.2 Isılçift şematik gösterimi Şekil 2.3 Beş adet ısılçiftin seri şekilde birbirine bağlanması sonucunda oluşturulan bir ısılpil Şekil 2.4 Termopilin kızılötesi dedektör olarak kullanımı Şekil 2.5 Yüzey mikroişleme tekniği kullanılarak oluşturulmuş mikrobolometre yapını görünümü Şekil 2.6 Basit bir fotoiletken kızılötesi sensörün ve okuma devresinin yapısı Şekil 2.7. a. Bir kızılötesi fotodiyotun yapısı, b. bu fotodiyotun karanlık ve aydınlık ortamda sergilediği akım-voltaj grafiği Şekil 2.8 InSb fotodiyot için dalgaboyunun bir fonksiyonu olarak dedektivite (77 K de) Şekil 2.9 HgCdTe fotodiyot için temsili spektral tepki verileri Şekil 2.10 InAs/GaInSb SLS a. Enerji bandı boşluklarından oluşan elektron ve kovuk minibandlarının band ucu görseli, b. Kesme dalgaboyu değişim grafiği (InAs katmanı) Şekil 2.11 Tipik bir SLS yapısı Şekil 2.12 Geniş bant aralıklı iki bariyer malzemesi arasında yer alan dar bant aralıklı malzemenin oluşturduğu kuantum kuyusunun yapısı Şekil 2.13 Optik ızgara yapısına sahip bir QWIP pikseli ve bu piksel içerisinde gelen radyasyonun takip ettiği yol xiv

16 Şekil 2.14 Bir QWIP sensörün enerji bandı diyagramının aldığı şekil a. gerilim yokken, b. gerilim uygulandığında Şekil 2.15 QWIP lerin enerji bandı diyagramları a. Bağlı-bağlı, b. bağlı-yarı bağlı, c. bağlı-sürey Şekil 2.16 Yakalama ve yayma süreçlerinin kuantum kuyusu enerji bant diyagramı üzerinde gösterimi Şekil 2.17 Bir QWIP sensörün tipik Akım-Voltaj grafiği Şekil 2.18 Kuantum enerji-bant diyagramı üzerinde karanlık akımı oluşturan mekanizmaları 1. Termiyonik emisyon, 2. Termal enerji yardımıyla tünelleme, 3. yer durumları arası tünelleme Şekil 2.19 Al x Ga 1-x As/GaAs QWIP ler için bariyer içerisinden tünelleme akımının malzeme kompozisyonuna (x) ve bariyer kalınlığına bağlı olarak değişimi Şekil 2.20 a. Karanlık ortamda yakalama ve emisyon süreçleri, b. aydınlık ortamda ekstra enjeksiyon ve yakalama süreçleri Şekil 2.21 Foto uyarım sonucu boşalan kuyular emetör kaynağı ile kuyu arasında ekstra elektrik alan oluşturur ve bu gerekli enjeksiyonu sağlar Şekil 2.22 Tipik bir QWIP yapısı için kazancın gerilime bağlı olarak değişimi Şekil 2.23 Bağlı-sürey geçişleri için farklı alüminyum moleküler oranları (x) ve kuyu genişliklerine bağlı: a. E1 ve Em seviyelerinin değişimi, b. tepe algılama dalga boyunun değişimi Şekil 2.24 Farklı tiplerdeki QWIP ler için algılama spektrum şekilleri Şekil 2.25 Bağlı-bağlı (siyah), bağlı-yarıbağlı (kahverengi) ve bağlı-sürey (kırmızı, mavi, menekşe, yeşil) QWIP ler için responsivitenin uygulanan gerilime bağlı olarak değişimi Şekil 2.26 Spektral soğurma kuantum verimliliğinin ve spektral tepkiselliğin kuantum kuyusu sayısı ile değişimi Şekil 2.27 Dedektivitenin çalışma sıcaklığına bağlı olarak değişimi Şekil 2.28 Dedektivitenin normalize edilmiş katkılama yoğunluğuna bağlı değişimi Şekil 3.1 Czochralski kristal büyütme fırını xv

17 Şekil 3.2 Taban büyütme işlemi sonrası elde edilen: a. Ingot, b. dilimlenmiş tabanlar c. bir adet parlatılmış taban Şekil 3.3 QWIP piksel yapısı Şekil 3.4 MBE yöntemi ile büyütme Şekil 3.5 QWIP MBE reaktörü Şekil 3.6 Fotorezist serme işlemini oluşturan aşamalar Şekil 3.7 Fotorezist kalınlığının spin hızına bağlı olarak değişimi Şekil 3.8 Fırınlama işlemi Şekil 3.9 a. Fotomaskenin yapısı, b. fotorezisti maske üzerinden UV ışığa maruz bırakma Şekil 3.10 Maske hizalama cihazı Şekil 3.11 a. Kontak litografi, b. yakınlık litografisi Şekil 3.12 Maske ile fotorezist arasındaki mesafenin fotorezist deseni üzerindeki etkisi. Fotorezist mesafesi a-h arasında 0 µm-15 µm arasında eşit aralıklarla değiştirilmiştir Şekil 3.13 Stepper cihazı ile maskeleme işlemi Şekil 3.14 Banyolama (Develop) işlemi Şekil 3.15.a. Yönbağımlı aşındırma, b. yönbağımsız aşındırma Şekil 3.16 Islak aşındırma işleminde yer alan süreçler Şekil 3.17 Kuru aşındırma işlemi Şekil 3.19 Püskürtme (Sputter) yöntemi ile kaplama işlemi Şekil 3.20 Kimyasal buharlaştırma yöntemi ile kaplama işlemi Şekil 3.21 Elektro kaplama Şekil 3.22 Hibrit tümleştirme Şekil 3.23 Taban inceltme işlemi Şekil 3.24 Şematik olarak tümdevre tasarım süreci Şekil 3.25 Benzetim olarak tümdevre tasarım süreci xvi

18 Şekil 3.26 Serim Aşaması olarak tümdevre tasarım süreci Şekil 3.27 Doğrulama olarak tümdevre tasarım süreci Şekil 3.28 Çip üretim süreci basamakları Şekil 3.29 Çok katlı bir yapıya sahip çipin kesiti Şekil 3.30 Tipik opto-mekanik tasıyıcı alt parçaları Şekil 3.31 Taşıyıcı seramik üzerine monte edilmiş bir QWIP FPA Şekil 3.32 QWIP sensör işleme süreci Şekil 4.1 Spin coater cihazı Şekil 4.2 Maske hizalayıcısı (Mask Aligner) cihazı Şekil 4.3 Mask Aligner cihazı ile hizalama işlemi Şekil 4.4 Banyolama (develop) işleminde kullanılan cihaz Şekil 4.6 Grating litografisi ile elde edilen görüntü Şekil 4.8 Mesa aşındırması sonucu piksel görüntüsü Şekil 4.9 Aşındırma sonrası Profilometre ile elde edilen görüntü Şekil 4.10 Omik kontak litografi sonucu elde edilen görüntü Şekil 4.11 Termal kaplama işleminde kullanılan cihaz ve yapılan işlemler Şekil 4.12 Metal kaplama sonrası elde edilen görüntü Şekil 4.13 Karanlık akım ölçüm düzeneği Şekil 4.14 Karanlık akım grafiği Şekil 4.15 Fotoakım ve karanlık akım grafiği Şekil 4.16 Spektral ölçüm düzeneği blok şeması Şekil 4.17 Spektral tepkisellik karakteristiği Şekil 4.18 Tepkisellik ölçüm düzeneğinin şeması Şekil 4.19 Ortalama NETD grafiği xvii

19 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1 Kızılötesi görüntülemenin uygulama alanları... 3 Çizelge 1.2 Atmosferik iletim pencereleri ve dalga boyu aralıkları... 6 Çizelge 2.1 IR dedektörlerin karşılaştırılması Çizelge 2.2 Çeşitli metaryeller için Seebeck katsayıları ve termal iletkenlik değerleri Çizelge 3.1 Tümdevre üretim fabrikaları Çizelge 4.1 Tepe tepkisellik hesaplamasında kullanılan değerler Çizelge 4.2 Tepe dedektivite hesaplamasında kullanılan değerler xviii

20 1. GİRİŞ Mutlak sıfır sıcaklığın üzerinde sıcaklığa sahip olan her cisim sıcaklığına bağlı olarak bir ışıma (radyasyon) yayar. Oda sıcaklığına yakın cisimlerin yaydığı ışıma elektromanyetik spektrumda µm ile temsil edilen kızılötesi aralığına düşmektedir ve bu da insan gözü tarafından algılanamaz. Elektromanyetik spektrum ve kızılötesi bandının spektrumdaki yeri şekil 1.1 de görülmektedir. Geniş bir aralığa sahip kızılötesi bandında, cisimlerden yayılan radyasyonun bir kısmı, geçirgenliği dalga boyuna bağlı olan atmosfer tarafından emilir. Bu nedenle, kızılötesi görüntüleme yapabilmek için atmosferin geçirgen olduğu bir dalga boyu aralığında algılama yapmak gerekmektedir. Şekil 1.1 Elektromanyetik spektrum ve kızılötesi bandının spektrumdaki yeri ( Cisimlerden yayılan radyasyonu atmosferin geçirgen olduğu dalga boyu aralıklarında algılayarak görünür hale gelmesini sağlayan sistemlere termal kameralar denir ve 1

21 ağırlıklı olarak gece koşullarında veya gündüz sis ve duman arkasında kalan durumlarda kameralar ile algılanamayan canlıların ve nesnelerin görüntülenmesinde (örn: termal görüş) kullanılır. Amatör bir astronom olan William Herschel, 1781 yılında Uranüs ün keşfi ile ünlenmiş ve daha sonra 1800 yılında önemli bir keşfe daha imza atmıştır. Herschel Newton un, güneş ışınlarının bir prizma ile ayrı renk bileşenlerine ayrılmış olduğu ilkesini kullanarak bir üçgen prizma ile güneşten gelen ışığı kırmış ve tayfın içinde kırmızının altında bulunan kızılötesi ışınımı bir termometre sayesinde tespit etmiştir. Daha sonra 1830 yılında termoelektrik etkilerin Seeback tarafından keşfedilmesi ise çeşitli materyallerin emilim ve yayılım spektrumları konusunda çalışmalar yapılmasını sağlamıştır. Bununla birlikte fotoiletkenlik etkileri 1873 yılında Smith tarafından keşfedilmiş ve sonrasında yüksek tepkiselliğe sahip ilk kızılötesi fotoiletken 1917 yılında Case tarafından geliştirilmiştir. Uzaktan algılama uygulamalardaki son dönemdeki başarılar, son elli yılda kızılötesi dedektör teknolojisinde çok hızlı gelişmelere yol açmıştır. InSb (Indium Antimonide) ve HgCdTe (Mercury Cadmium Telluride) gibi dar bant aralığında çalışan yarıiletkenlerdeki gelişmeler, kızılötesi foton dedektörlerinde yüksek performansı beraberinde getirmiştir. Epitaksiyel yarıiletken malzeme büyütme teknolojisindeki son ilerlemeler, olgun GaAs (Gallium Arsenide) ve InP (Indium Phodphide) teknolojileri ile birlikte, kuantum kuyu ve süper örgü (superlattice- SLS) yapılarının üretimini mümkün kılmıştır. Günümüzde bu tür yarıiletken yapılarına sahip kızılötesi dedektörler, geleneksel düşük bant aralıklı yarıiletken kızılötesi foton dedektörlerine alternatif olarak sunulmaktadır. Bütün bu gelişmeler sonucunda farklı formatlardaki kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektör (QWIP) odak düzlem dizileri (FPA) geliştirilmiştir. Foton dedektörlerin çalışabilmesi için 77 Kelvin (-196 C) veya daha da düşük sıcaklıklara soğutulması gerekmektedir. Bunun için özel olarak tasarlanmış soğutucular (cooler) kullanılır. 2

22 Diğer taraftan, daha sonraları, soğutmaya gerek duymadan çalışan ve foton dedektörlere göre hafif ve küçük olan ancak daha kısa mesafede görüntüleme sağlayan termal dedektörler geliştirilmiş ve çeşitli uygulamalarda kullanılmaya başlanmıştır. şekil 1.2 de kızılötesi dedektörlerin algılayıcı malzemesi olarak kullanılan çeşitli malzeme tiplerinin olgunluk seviyesine ulaştığı tarihsel kronolojik gösterimi yer almaktadır. Özellikle II. Dünya Savaşı döneminde bugünkü kızılötesi görüntüleme sistemlerinin temelini oluşturan önemli atılımlar gerçekleştirilmiştir. Şekil 1.2 Kızılötesi dedektörlerin tarihsel gelişimi (Koçer 2005) Belirtilen özellikleri nedeniyle, günümüzde kızılötesi görüntüleme sistemleri çizelge 1.1 de verilen birçok askeri ve sivil uygulamada kullanım yerine sahiptir. Çizelge 1.1 Kızılötesi görüntülemenin uygulama alanları Askeri Uygulamalar Hedef Tespit, Teşhis ve Tanıma Termal Görüntüleme Mayın Arama Atış Kontrolü Arama ve Takip Lazer Tespit ve Karakterizasyonu Güdüm ve Kontrol Sistemleri Sivil Uygulamalar Güvenlik Kameraları Sürücü Görüş Sistemleri Yangın Alarm Sistemleri Tıbbi Görüntüleme Endüstriyel Uygulamalar Çevresel Koruma (Orman Yangını İzleme vb.) Arama ve Kurtarma 3

23 1.1 Kızılötesi Işımanın Cisimlerden Yayılması Uzak bir hedeften alınan görüntünün kalitesini belirleyen temel parametrelerden biri, termal görüntüleyicinin o hedeften aldığı ışıma miktarıdır. Bir cisimden yayılan kızılötesi ışımanın şiddeti, cismin sıcaklığı, uzaklığı ve onun yayılım (emissivity) özelliği gibi çeşitli parametrelere bağlıdır. Bu yayılım özelliği bir cismin ne kadar kolay ışıma yaydığının göstergesidir. Ayrıca, görüntülenmek istenen cisim ile görüntüleyici arasındaki ortamdan kaynaklanan soğurma ve saçılma gibi nedenlerin görüntüleyicinin alacağı ışık miktarına etkisi vardır. Maxwell yasalarına göre bir elektrik yükü ivmelendirilince ışıma yayar. Bir cisim ısıtıldığında, moleküllerinin titreşme enerjisi artar, yük taşıyıcıları ivme kazanır ve böylece ışıma oluşur. Aşağıdaki formül, yayılan bir ışımanın dalga boyu ile taşıdığı enerji miktarı arasındaki bağlantıyı göstermektedir: hc W = λ...(1.1) λ dalga boyunu, c ışık hızını ve h Planck sabitini simgelemektedir. 1.2 Kara Cisim Işıması Bir cisim tarafından yayılan ışınımın sahip olduğu güç dağılımı spektrumu Max Planck ın ışıma yasasına uymaktadır. Aslında, bütün cisimler Planck yasasına göre ışınım yaymaz, bu yasa sadece sınır koşullarını gösterir. Diğer bir taraftan kara cisim adı verilen ideal yayılıma sahip cisimler, Planck ışıma yasasının limit eğrisine uygun şekilde davranırlar ve bu eğriye de kara cisim ışıma eğrisi denir. Planck yasasına göre, kara cisme ait ışıyan foton yayılımının spektral dağılımı aşağıdaki eşitlikle verilmektedir: 4

24 M 2πc λ, T ) =...(1.2) 4 hc λkt λ ( e 1) q ( / Eşitlikte yer alan c vakum ortamındaki ışık hızını, h Planck sabitini ve k Boltzmann sabitini göstermektedir. şekil 1.3 te çeşitli sıcaklıktaki kara cisimlere ait dalga boyuna göre spektral ışıyan foton yayılımı verilmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi, kaynak sıcakken cisimden yayılan toplam enerji daha çoktur ve tepe yayılım dalga boyu artan sıcaklıkla azalmaktadır. Şekil 1.3 Çeşitli sıcaklıktaki kara cisimlere ait dalga boyuna göre spektral ışıyan foton yayılımı (Özer 2005) 1.3 Atmosferik İletim Koşulları Atmosfer etkileri, cisimlerden yayılan ışımanın algılanmasında iki farklı açıdan önemli rol oynar. Birincisi, atmosfer kendi başına bir ışıma kaynağıdır ve görüntülenmek istenen cismin arka planına etki eder. İkincisi, cisimden gelen ışımayı, atmosferik gaz moleküllerinin soğurması (absorption) ve içindeki parçacıklarla ışığı dağıtması (scattering) olmak üzere iki yolla zayıflatır. Bu soğurma ve dağıtma, gelen ışımanın enerjisinde kayba yol açar (Rogalski ve Chrzanowski 2002). 5

25 Moleküller tarafından soğurulma, gaz molekülündeki eş atomlar ya da atomların titreşik konumlar arasındaki elektronik geçişlerinden kaynaklanır. Atmosferde yaygın olarak bulunan moleküller içerisinde kızılötesi ışımayı soğuran moleküller H 2 O, O 3, N 2 O, CO, CH 4 ve N 2 olarak sayılabilir. Atmosferik iletim spektrumu ve algılamaya engel teşkil eden soğurulma çizgilerine veya bantlarına neden olan moleküller şekil 1.4 te gösterilmektedir. Şekilden de görülebildiği gibi, belli dalga boyu aralıklarında atmosfer göreceli olarak geçirgendir ve bu aralıklara atmosferik iletim pencereleri denir. Bu pencerelere ilişkin literatürde yapılan sınıflandırma çizelge 1.2 de verilmiştir. Geçirgenlik (%) Dalga boyu (µm) Soğuran Molekül Şekil 1.4 Atmosferik iletim spektrumu ve soğurulma çizgilerinden veya bantlarından sorumlu moleküller (Sizov 2000, Hamamatsu 2004) Çizelge 1.2 Atmosferik iletim pencereleri ve dalga boyu aralıkları (Desai 2004) Kızılötesi Alt Bandı Dalgaboyu Aralığı (µm) Yakın Kızılötesi (NIR) Kısa Dalgaboyu IR (SWIR) 1-3 Orta Dalgaboyu IR (MWIR) 3-6 Uzun Dalgaboyu IR (LWIR) 6-15 Çok Uzun Dalgaboyu IR (VLWIR) şekil 1.4 te verilen atmosferik iletim spektrumu her durum için sabit değildir. Yükseklik, bağıl nem, iklim ve gaz içeriği gibi atmosferik durumlar bu spektrumda 6

26 değişikliğe neden olabilmektedir. Bunun yanında, atmosfer tamamen homojen bir ortam olmadığından, kırınım indeksi ortam etkileri ve zamanın karmaşık bir fonksiyonudur. Bu indeks rüzgara, termal konveksiyon akımlarına, yerçekimi alanına ve neme göre değişir. Buna ek olarak, insanın neden olduğu ortam etkileri de bazı durumlarda iletimi önemli şekilde etkiler (Marquis 1996). Atmosferin geçirgen olduğu MWIR ve LWIR bant aralıkları kızılötesi görüntüleme için oldukça önemlidir. MWIR bandında, termal kontrast LWIR bandına göre iki kat fazladır. Termal kontrast, cismin sıcaklığındaki bir Kelvin değişimde yayılan akıdaki yüzde değişim miktarıdır. Termal kontrast yüksek olduğunda bir yüzeydeki sıcaklık değişimi daha iyi gözlemlenmektedir. Spektral bant seçimi hedef işaretine (signature), atmosferik geçirgenliğe ve sensör tepkisine (optik ve dedektör) bağlıdır. Örnek olarak, nem miktarının fazla olduğu deniz uygulamalarında MWIR bandı daha uygundur. Az nemli ve soğuk ortamlarda ise LWIR daha uygundur. Kızılötesi görüntüleme sistemlerinin yaygın olarak kullanıldığı savaş alanı koşullarında LWIR bandı genelde daha uygundur, çünkü uzun dalga boylarına sahip ışıma savaş ortamında havada oluşan parçacıkların içinden daha iyi geçer (Marquis 1996). Bunların yanında kızılötesi dedektör önündeki optik açıklıktan kaynaklanan girişim miktarı dalga boyu ile doğru orantılıdır. Bu nedenle MWIR dalga boyunda girişim etkileri daha azdır. Sensörle birlikte kullanılan optiğin büyüklüğü optik açıklık ile orantılı olduğundan MWIR dalgaboyunda çalışan kameralar daha küçük boyutlu olabilmektedir. 1.4 Kızılötesi Görüntüleme Sistemlerinin Temel Alt Birimleri Kızılötesi görüntülemenin kalitesi hedef işaretine, çevre koşullarına ve görüntüleyici oluşturan bileşenlere bağlıdır. Bir termal kameranın temel blokları şekil 1.5 te verilmektedir. 7

27 Şekil 1.5 Bir termal görüntüleme sisteminde yer alan alt bloklar. Dedektör üzerinde bir hedefin görüntüsünü elde etmek için geçirgen lensler veya yansıtıcı aynalar kullanılabilir. Lenslerin geçirgenliği olabildiğince yüksek olmalıdır ve kırılma indeksinin dalga boyuna ve sıcaklığa bağımlılığı minimum olmalıdır. Lens malzemesinin ve anti-yansıma kaplamasının iletim spektrumu lensin geçirgen olduğu dalga boyunu belirler. Ge, ZnS ve ZnSe malzemeleri MWIR ve LWIR bantlarında en çok kullanılan lens malzemeleridir. Odak düzlemin üzerinde görüntü oluşturmanın bir başka yolu da ayna kullanmaktır. Lenslerden farklı olarak, aynalar akromatiktir ve bu da tüm kızılötesi dalga boylarında çalışmasını sağlar. Aynalara yüzey kaplaması yapılarak yansıma artırılabilir. 8

28 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1 Kızılötesi Dedektörlerin Performasına Etki Eden Temel Parametreler Dedektör karakteristiğini doğru anlama ve yorumlama, yeni malzeme ve yapı içeren kızılötesi dedektörlerin optimizasyonunda büyük önem teşkil eder. Yüksek verime ve mümkün olan en yüksek performansa ulaşmanın altında da süreç optimizasyon çalışmaları yatmaktadır. Kızılötesi dedektörlerin performansı kullanılan algılayıcı malzemenin özelliklerine, piksel yapılarına, epikatman yapısı tasarımına, üretim sürecine, okuma devresine ve benzeri birçok faktöre bağlıdır. Bu bölümde performansa ilişkin başlıca parametreler anlatılmaktadır Kuantum verimliliği Kuantum verimliliği foton dedektörlerinde dedektör üzerine düşen foton sayısına oranla dedektör içerisinde oluşan elektron sayısı olarak verilmektedir. Bir dedektörün kuantum verimliliği ne kadar yüksek olursa hassasiyeti o kadar artar. Dedektör üzerinden geçen fotoakım kuantum verimliliği ile doğru orantılıdır. Foto akım ile kuantum verimliliği arasındaki ilişki aşağıdaki eşitlik 2.1 de verilmektedir: I photo = q η g A ϕ..(2.1) det Bu eşitlikte q elektron yükünü, η dedektörün kuantum verimliliğini, g dedektör kazancını, A det dedektör alanını ve φ dedektörün duyarlı olduğu radyasyon akısını vermektedir. Dedektör kazancı fotovoltaik dedektörler için her zaman 1 dir, fotoiletken dedektörler için ise bu değer dedektör yapısına ve uygulanan gerilime bağlı olarak 1 den küçük veya 1 den büyük olabilir Tepkisellik (Responsivity) Tepkisellik, çıkış sinyalinin giriş gücüne oranı olarak tanımlanır. Çıkış, foto gerilim veya fotoakım olabilir, giriş gücü ise Watt cinsinden gelen radyasyonun sahip olduğu 9

29 güçtür. Sinyal-gürültü oranını içermediği için, tepkisellik tek başına dedektör performansını belirtmekte kullanılamaz Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) Gürültü, çıkışta gözlemlenen istenmeyen sinyaller olarak tanımlanabilir. (Özer 2005) Gürültü tamamen yok edilemez ancak minimum seviyelerde tutulabilir. SNR tek başına dedektör performansının ölçüsü olamaz çünkü radyasyon giriş gücü artarsa SNR da artmış olur. Diğer bir yandan, gürültü eşdeğer gücü (NEP) dedektör hassasiyetinin bir ölçüsüdür. Dedektör üzerinde gürültü miktarı kadar sinyal oluşturabilen kızılötesi güç, gürültü eşlenikli güç olarak tanımlanır (Özer 2005). Gürültü voltajının tepkiselliğe bölünmesi ile bulunur. S/N=1 olduğu durumdaki ışık miktarıdır (Daniels 2006). Burada S sinyal N ise gürültüdür. Birimi W dır. Bir başka deyişle NEP, birim SNR üretmek için dedektörün aldığı ışıyan güç miktarıdır ve aşağıdaki eşitlikle gösterilir: gürültü NEP=...(2.2) tepkisellik Fotodedektörlerin yapısından kaynaklanan ve kaçınılamayan bir çok gürültü kaynağı vardır. Diğer bir yandan, dış kaynaklı olan gürültüler bir dereceye kadar engellenebilir. Kaçınılamayan gürültüler, genellikle foton geliş hızındaki dalgalanmalardan, yarıiletkendeki örgüsel titreşimlerden ve dedektörün içindeki elektronların rastgele hareketlerinden meydana gelir. Genellikle, kaçınılamayan gürültü kaynakları beyaz gürültü davranışı gösterir. Ancak bazı durumlarda gürültü spektrumu bazı frekanslarda daha fazla güç taşır. Örnek olarak, 1/f gürültüsü düşük frekanslarda, yüksek frekanslarda olduğundan daha fazla güç yoğunluğuna sahip olur. 10

30 2.1.4 Dedektivite NEP dedektör alanına bağlıdır ve farklı boyutlardaki dedektörlerin farklı NEP değerleri olur. Diğer taraftan, dedektivite dedektör alanına ve elektriksel bant aralığına oranlanmıştır ve dedektör performansını belirlemek için yeterlidir. Dedektivite aşağıdaki gibi gösterilmektedir: D * tepkisellik alan f = gürültü = R A d N f...(2.3) Tepkisellik ve dedektivite tek piksel dedektör performansını belirlemek için yaygın olarak kullanılan göstergelerdir. FPA performansını göstermek için uzaysal kavramlar daha başka tanımlara ihtiyaç duyar. Uzaysal homojenlik ve gürültü eşlenikli sıcaklık farkı (NETD), FPA performansını belirlemek için en sık kullanılan tanımlardır Gürültü Eşlenikli Sıcaklık Farkı (NETD) Kameranın birim SNR vermesi için gereken minimum sıcaklık değişimi miktarıdır. Uzaysal gürültüyü de hesaba katan genel NETD tanımı aşağıdaki gibidir: NETD= dn N B n dt B...(2.4) Eşitlikte T B arka plan sıcaklığını, N n gürültü eşdeğeri elektron sayısını ve N B piksel başına gelen radyasyon sonucu uyarılan toplam elektron sayısını vermektedir ve bu değer aşağıdaki şekilde gösterilir: N = N + N + u 2 n 2 t B 2 N 2 B...(2.5) N t zamansal gürültüyü (temporal noise), N B arka plan ışımasından kaynaklanan gürültüyü ve u kalibrasyon sonrası kalan artık homojensizliği simgelemektedir. Sinyal işleme algoritmaları ile FPA homojensizliği bir dereceye kadar düzeltilebilmesine 11

31 rağmen, artık homojensizlik büyük formatlı FPA ların performansını sınırlandıran asıl faktördür. Sistemin NETD si homojensizlik tarafından sınırlandırıldığında, 2.5 eşitliği aşağıdaki gibi olur: 2 uλt NETD= B (2.6) λ = (λ 1 + λ 2 )/2, λ 1 den λ 2 ye olan spektral banttaki ortalama dalga boyudur. Diğer bir taraftan NETD nin homojenlikle değil de dedektörlerin dedektivitesi ile sınırlı olduğu durumda, aşağıdaki hali alır (Zussman vd. 1991, Henini ve Razeghi 2002) : NETD= D ( dp * B B A f 2 / dt)sin ( θ / 2)...(2.7) Eşitlikte A tek piksel dedektör alanını, f bant genişliğini, ve * D B kara cisim dedektivitesini dp B / dt sıcaklığa göre entegre kara cisim gücündeki değişimi göstermektedir. λ 1 ile λ 2 arasındaki spektral bölgedeki entegre kara cisim gücü aşağıdaki gibi gösterilmektedir: λ 2 P = sin 2 B A ( θ / 2)cosφ W ( λ) dλ λ1...(2.8) W (λ) kara cisim spektral yoğunluğunu göstermektedir ve bu aşağıdaki eşitlikte verilmektedir: W ( λ) π λ 2 hc / λktb = (2 c h / 5)( e 1) 1...(2.9) İki farklı homojensizlik değeri için teorik NETD nin dedektivite ile değişimi şekil 2.1 de verilmektedir cmhz 1/2 /W değerinden büyük D* için NETD homojensizlik (u) tarafından sınırlandırılmıştır. 12

32 NETD (mk) Dedektivite (cmxhz ½ /W) Şekil 2.1 İki farklı homojensizlik değeri için NETD nin dedektivite ile değişimini gösteren grafik (Levine 1993, Rogalski 1998, Henini ve Razeghi 2002 ) Çalışma hızı Kızılötesi dedektörlerin kullanıldığı uygulamalara bağlı olarak dedektörlerin çalışma hızı önem kazanabilmektedir. Kızılötesi görüntüleme sensörlerinde çalışma hızı genellikle saniyede resim hızı (frame per second) olarak tanımlanmaktadır. Özellikle hızlı hedeflerin çeşiti algoritmalarla takip edildiği otomatik hedef takibi gibi uygulamalarda sensörlerin hızlı çalışması gerekmektedir. Kızılötesi görüntüleme sensörlerinde görüntü oluşturulurken dedektör fotoakımı okuma devreleri üzerindeki kapasitörlerde her bir resim için biriktirme süresi (integration time) kadar biriktirilir. Dedektörün kuantum verimliliğine bağlı olarak bu süre artmakta veya azalmaktadır. Çok hızlı görüntüleme yapılması gerektiği durumlarda dedektör kuantum verimliliğinin yüksek olması gerekmektedir. Düşük kuantum verimliliğine sahip dedektörler ise sahne hızlarının düşük olduğu uygulamalarda kullanılabilmektedir. 13

33 2.1.7 Çalışma sıcaklığı Kızılötesi sensörlerde sinyal gürültü oranlarının arttırılabilmesi için sensörlerin belirli bir sıcaklığa soğutulması gerekmektedir. Özellikle karanlık akım sensör sıcaklığına çok duyarlıdır. Genel olarak fotodedektörler arka plan limitli sıcaklık değerlerinde (Background Limited Infrared Photodetection) çalıştırılmaktadır. Bu koşulda dedektörün fotoakımı karanlık akımdan daha yüksektir. Eğer çalışma sıcaklığı düşük ise soğutucunun dedektörü çalışma sıcaklığına ulaştırma süresi artmaktadır. Görüntüleme sisteminin çok hızlı bir şekilde kullanıma alınması gerektiği uygulamalarda (örneğin karadan havaya veya havadan havaya füzelerin arayıcı başlıkları) bu sürenin mümkün olduğunca kısa tutulması hedeflenmektedir. Dedektör çalışma sıcaklığının düşük olması ayrıca soğutucunun daha yüksek güçlerde veya frekanslarda çalışmasını gerektirmektedir. Bu da soğutucunun ömrü açısından olumsuz etki oluşturmaktadır Pikseller arası etkileşim (Crosstalk) Piksel yapılarının küçük olduğu taramasız kızılötesi dedektörlerde piksellerin arasında oluşan etkileşimler görüntü kalitesini olumsuz yönde etkilemektedir. Pikseller arası etkileşim sensör dizininin üretim süreçlerinden kaynaklanabileceği gibi okuma devresinde veya görüntüleme elektroniğinden de kaynaklanabilmektedir. 2.2 Kızılötesi Dedektör Tiplerinin İncelenmesi Gerek soğutmalı (foton) dedektörler, gerekse soğutmasız (termal) dedektörler oldukça farklı kullanım maksatlarına ve uygulama alanlarına sahiptir. Foton dedektörlerin fiyatını yüksek tutan ve yaygın kullanımını engelleyen en önemli faktör, bu dedektörlerin çalışabilmesi için 77 Kelvin (-196 C) veya daha da düşük sıcaklıklara soğutulma zorunluluğudur. Bu soğutucular hem kızılötesi görüntüleme sistemlerinin maliyetini yükseltmekte, hem de kullanım ömürlerini sınırlandırmaktadır. Ayrıca 14

34 soğutucular ile oluşturulan dedektör sistemleri büyük ve ağır olmakta, dolayısı ile ağırlığın önemli olduğu bazı uygulamalarda kullanılmaları tercih edilmemekte veya mümkün olmamaktadır. Ayrıca, bu dedektörler, düşük duyarlılıklı bazı malzemeler hariç (PtSi: Platinum Silicide gibi), elektronik devreler ile aynı taban üzerinde üretilememektedir. Bu durum, foton dedektörlerin fiyatını yükseltmektedir. Foton dedektörlerin soğutma konusundaki problemlerini ortadan kaldırmak ve maliyeti düşürmek maksadıyla 1980 li yıllardan itibaren ABD de soğutmasız kızılötesi dedektörler konusunda devlet destekli somut araştırmalar başlamıştır. ABD Savunma Bakanlığı tarafından sağlanan kaynaklarla Honeywell ve Texas Instruments (TI) ile yapılan anlaşmalar çerçevesinde başlatılan çalışmalar, kullanılan malzeme özelliklerine göre iki farklı yaklaşım üzerine yoğunlaşmıştır. Bunlardan birincisi olan ferroelektrik malzemeler 25.6 C gibi bir sıcaklıkta kızılötesi ışınlardan etkilenmekte ve üzerlerinde belli bir elektrik yükü birikmektedir, yani bir anlamda kapasitör gibi davranmaktadır. Ancak, ferroelektrik malzemeler ile çalışmak ve bunu görüntüleme sistemine uygulamak kolay ve ucuz bir teknoloji olmadığı için bu yaklaşım fazla yayılmamıştır. Soğutmasız kızılötesi dedektör konusundaki ikinci yaklaşım ise, yüzey mikroişleme MEMS teknolojisi ile üretilen mikrobolometrelerdir. Bu teknolojide algılayıcı madde bir dirençtir. Kızılötesi ışınım direncin ısınmasına yol açarak, onun direnç değerini değiştirmektedir. Direncin sıcaklık değişiminin daha fazla olabilmesi ve dolayısı ile kızılötesi ışınımın daha iyi algılanması için, algılayıcı yapının Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS) olarak adlandırılan teknoloji kullanılarak silisyum tabandan ısıl olarak izole edilmesi gerekmektedir. Isıl izolasyonu daha da arttırmak amacıyla ortamdaki hava alınarak bu yapıların vakum altında paketlenmesi sağlanır. Bu teknolojinin bir avantajı da, dedektör yapısının, sinyalleri okumak için gerekli elektronik entegre devresinin üzerinde oluşturulmasıdır. Bu durum, tüm sistemin aynı taban üzerinde ve daha ucuz bir şekilde üretilebilmesine imkan sağlamaktadır. Ayrıca, köprü yapısı üzerine, yüksek sıcaklıkla direnç değişim katsayısına sahip materyaller serilebilmekte ve böylece daha yüksek performanslı soğutmasız kızılötesi dedektörler üretilebilmektedir. 15

35 Kızılötesi dedektör teknolojisinin günümüzde ulaştığı durum itibariyle, çeşitli malzeme tip ve özelliklerine göre karşılaştırılması çizelge 2.1 de verilmiştir Çizelge 2.1 IR Dedektörlerin Karşılaştırılması (Rogalski 2002) Dedektör Tipi Avantaj Dezavantaj Termal Güvenilir, düşük maliyet Foton sensörlerine göre daha düşük dedektivite (Termopil, Bolometre, Oda Sıcaklığında çalışabilir Yavaş tepki süresi (ms seviyesi) Pyroelektrik) Foton İçsel IV-VI Mevcut düşük boşluklu malzemelerle Mekanik olarak zayıf (Pbs, PbSe, PbSnTe) iyi çalışır. Yüksek dielektrik sabiti II-VI Kolay ayarlanabilir band aralığı Geniş bir aralıkta homojen büyütülmesi zor (HgCdTe) Çok renkli dedektörler Büyütme ve işlemede yüksek maliyet Yüksek kuantum verimliliği Yüzey istikrarsızlığı III-V Malzeme ve katkılaması güzel Büyük örgü uyumsuzluğu ile Heteroepitaxy (InGaAs/InAs, InSb, InAsSb) Olgun teknoloji Uzun dalgaboyu kesim limiti 7 µm (77 K de) Dışsal Çok yüksek dalgaboyu uygulamaları Dedektörlerin düşük sıcaklığıa soğutulması gerekir (Si:Ga, Si:As, Ge:Cu, Ge:Hg) Nispeten basit teknoloji Serbest Taşıyıcılı Düşük maliyet, yüksek üretim verimliliği Düşük kuantum verimliliği (PtSi, Pt, Si, IrSi) Geniş 2D dizinler Kuantum Kuyulu Tip I (GaAs/AlGaAs Gelişmiş malzeme büyütme Düşük kuantum verimliliği InGaAs/AlGaAs) Geniş alanda homojenlik Çok renkli dedektörler Tip II (InAs/InGaSb, Düşük burgu birleşme oranı Karmaşık dizayn ve büyütme InAs/InAsSb) Kolay dalgaboyu kontrolü Soğutmasız kızılötesi dedektörler Termal yani soğutmasız dedektörler, soğurulan kızılötesi enerji miktarına bağlı olarak, dedektörün elektriksel parametresindeki değişimi algılayan dedektör tipleridir. Bu nedenle termal algılama mekanizması kızılötesi algılamanın dolaylı bir yöntemidir ve bu tip dedektörlerin tepki süreleri foton dedektörlere göre daha uzundur. Çoğu durumlarda soğutmasız dedektörlerin Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) ve dedektivitesi 16

36 soğutmalı foton dedektörlere göre daha düşük olduğundan, termal dedektörlerin performansı da foton dedektörlere göre nispeten düşük kalmaktadır. Termal dedektörlerin en önemli avantajı herhangi bir karmaşık ve pahalı soğutma sistemine ihtiyaç duymaksızın oda sıcaklığında çalışabilmeleridir. Bunun neticesinde soğutmasız dedektör teknolojisi kullanılan görüntüleme sistemleri, daha küçük boyutlarda, daha ucuz, daha az güç harcayan ve daha uzun işletim sürelerine sahip sistemler olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu avantajları nedeni ile soğutmasız dedektörler, gece görüş, mayın tespiti, sürücü görüş sistemi, yangın söndürme ve endüstriyel kontrol gibi birçok sivil ve askeri uygulamalarda kullanılmaktadır. Bahsedilen geniş uygulama alanları soğutmasız kızılötesi teknolojisini oldukça popüler hale getirmiş olup, buna bağlı olarak tüm dünyada daha yüksek performanslı ve daha az maliyetli soğutmasız kızılötesi dedektör dizinleri konusunda çalışmalar sürdürülmektedir. CMOS fabrikasyon yaklaşımlarına bağlı olarak iki tip termal sensör bulunmaktadır: Termopil sensörler ve mikrobolometreler. Termopil sensörler çoğunlukla CMOS tabanlı yongaların/pulların (wafer) gövde mikroişleme esasına dayanmaktadır. Diğer taraftan mikrobolometrelerde ise genelde yüzey mikroişleme kullanılmaktadır. Termal kızılötesi teknolojisindeki ilerlemeler büyük oranda mikrobolometre teknolojisi ile gerçekleşmiştir. Bu teknoloji foton dedektör teknolojisine göre daha ucuz olmakla birlikte fabrikasyon ve nihai sistem maliyetleri ticari uygulamalar için halen yüksektir. Bu yüzden soğutmasız dedektör teknolojisinin ucuzlamasına paralel olarak pazardaki payını artırmaya yönelik çabalar yoğun bir şekilde devam etmektedir. Ayrıca dedektör fabrikasyon maliyetinin dışında bu sistemlerin maliyetini etkileyen birkaç önemli konu daha vardır ki bunlar dedektörün vakum paketlenmesi, yonga seviyesinde test ve optik birimlerdir. Termal dedektör tipleri ile ilgili ayrıntılı bilgi aşağıda verilmiştir. 17

37 Termopil tabanlı termal dedektör yapıları Termoelektrik dedektörler, Seebeck etkisi ile çalışmaktadır. Bu ilkeye göre iki farklı metalle yapılan 3 parçalı 2 eklemli bir düzenekte metallerin elektron yoğunluğunun farklı olması sebebiyle eklemlerden biri ısıtılıp diğeri soğutulduğunda devrede akım oluşur. Seebeck etkisi prensibi ile çalışan ısılçift (thermocouple) şematik gösterimi şekil 2.2 de verilmiştir. Şekil 2.2 Isılçift şematik gösterimi (Akın vd. 2005) Isılçiftin açık uçları arasında kendiliğinden oluşan V AB voltajı Seebeck voltajı olarak adlandırılmakta olup aşağıdaki eşitlikte verilmektedir. V AB = a AB T sıcak-soğuk = (a A - a B ) (T sıcak T soğuk )...(2.10) Bu eşitlikte a A ve a B iki farklı materyalin Seebeck katsayısını, a AB oluşan ısılçiftin Seebeck katsayısını, T sıcak ve T soğuk sıcak ve soğuk uçların sıcaklığını, T sıcak-soğuk ise sıcak ve soğuk uçlar arasındaki sıcaklık farkını temsil etmektedir. Genellikle tek bir ısılçiftin çıkış voltajı yeterli olmaz, bu nedenle, belirli sayıda ısılçiftlerin seriler halinde bağlanması ile ısılpiller oluşturulmaktadır. Şekil 2.3 de beş adet ısılçiftin seri şekilde birbirine bağlanması sonucunda oluşan bir ısılpil gösterilmektedir (Akın vd. 2005). 18

38 Şekil 2.3 Beş adet ısılçiftin seri şekilde birbirine bağlanması sonucunda oluşturulan bir ısılpil (Akın vd. 2005) Dielektrik bir tabaka üzerine yerleştirilen ısılçiftlerin sıcak uçları termopilin üst bölgesine yerleştirildiğinde, oluşan yapı kızılötesi dedektör olarak kullanılabilmekte olup buna ilişkin gösterim Şekil 2.4 de verilmiştir. Şekil 2.4 Termopilin kızılötesi dedektör olarak kullanımı (Akın vd. 2005) Termopilden yüksek çıkış voltajı elde etmek için sıcak ve soğuk uçlar arasındaki sıcaklık farkını ( T sıcak-soğuk ) mümkün olan en üst seviyeye getirmek (yüksek termal izolasyon) gerekmektedir. Sıcak ve soğuk uçlar arasındaki bu izolasyonu sağlamak amacıyla ısılçiftler genellikle dielektrik diyaframların üstüne yerleştirilir ve bu şekilde termal direnç artırılır. Termopiller yarıiletken ve/veya metaller kullanılarak oluşturulurlar. çizelge 2.2 de çeşitli metaryeller için Seebeck katsayıları ve termal iletkenlik değerleri verilmektedir. Yarıiletkenlerin Seebeck katsayıları metallere göre daha büyük olduğundan yarıiletken termopiller metal olanlara göre daha tepkiseldir. 19

39 Çizelge 2.2 Çeşitli metaryeller için Seebeck katsayıları ve termal iletkenlik değerleri (Akın vd. 2005) Mikrobolometre tabanlı termal dedektör yapıları Soğutmasız kızılötesi görüntülemede en yaygın olarak kullanılan yaklaşımlardan biri de CMOS işlenmiş yongalar üzerinde yüzey mikroişleme köprüleri kullanmak suretiyle direnç gösteren mikrobolometreler oluşturmaktır. şekil 2.5 de yüzey mikroişleme tekniği kullanılarak oluşturulmuş mikrobolometre yapının görünümü verilmektedir. Kızılötesi ışınım termal olarak izole edilmiş köprü üzerindeki materyallerin sıcaklığını arttırır ve bu sayede özdirenç sıcaklık katsayısı (TCR) değerine bağlı olarak materyalin direncini değiştirir (Eminoğlu vd. 2003). Yüzey mikroişleme tekniği sayesinde okuma devresi çipi üzerinde küçük incelikte, küçük kütlede ve oldukça iyi termal izolasyona sahip, sıcaklığa hassas yapıda katmanlar oluşturmak mümkündür. Köprü yapıları ve okuma devresi arasında oluşturulan bu feda katmanlarının ortadan kaldırılması ile askıya alınmış ve termal olarak izole edilmiş dedektör yapıları elde edilir. Oluşturulan bu yapı, istenmeyen ortam etkilerinden korunması ve ısıl izolasyonun daha da arttırılması amacıyla vakum paketi içine alınır. 20